張福田

（神華集團(tuán)運(yùn)輸管理部，北京 100011）

0 引言

神朔鐵路是我國繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運(yùn)大通道，但其自然環(huán)境惡劣，地形地貌復(fù)雜，經(jīng)過隧道61座，共37 429.5 mm。由于水害、凍害、不良地質(zhì)及襯砌材料侵蝕等原因，運(yùn)營隧道60%以上存在著不同程度的病害。病害的存在降低了襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，縮短了使用壽命，甚至導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、遭到破壞，大大降低了線路的級別，并威脅到安全運(yùn)營，給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失[1-4]。

目前我國鐵路維護(hù)單位針對此類隧道病害的處理，還處于人工維護(hù)方式，當(dāng)損壞部分處于低矮部分，則隧道工人利用梯子等攀爬工具進(jìn)行維護(hù)，如圖1所示。當(dāng)損壞部分處于隧道頂部等位置時(shí)，則需要搭腳手架等方法，浪費(fèi)時(shí)間，安全無法保證，并且由于施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣，施工人員工作量大，容易疲勞，對工程質(zhì)量的有效性無法保證。同時(shí)由于人工方式對隧道襯砌病害進(jìn)行檢測時(shí)通過人工架設(shè)腳手架以及移動腳手架的方式進(jìn)行檢測，施工人員的安全問題以及檢測效率將大大降低。為了提高病害整治的效率，提出在軌道車上安裝高空作業(yè)斗的方式來實(shí)現(xiàn)隧道病害的檢測和整治一體化。為了提高隧道病害整治的效率，考慮采用車載高空作業(yè)平臺的方式對隧道病害進(jìn)行檢測和治理。

我國高空作業(yè)機(jī)械起步較晚，從1960年左右開始研制，1970年剛剛推出產(chǎn)品樣機(jī)，1980年代以后隨著國外高新技術(shù)及其產(chǎn)品的逐漸引入，以及自主研發(fā)水平的提高，逐漸在電力、市政、園林等行業(yè)推廣使用，但是受技術(shù)水平限制作業(yè)高度較低，并且功能簡單。在國內(nèi)高空作業(yè)車產(chǎn)品中，目前比較知名的生產(chǎn)廠家由杭州愛知、長沙星邦以及徐州海倫哲等企業(yè)，目前國內(nèi)產(chǎn)品作業(yè)高度最高只有35 m，與發(fā)達(dá)國家的差距較大。目前國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品的最大載重為500 kg，基本可以滿足正常需求[5]。綜上，國內(nèi)高空作業(yè)車目前僅適用于用于道路照明檢修、電力保障、園林維護(hù)以及消防等行業(yè)。決定這一行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)是大高度混合臂架技術(shù)、安全保障技術(shù)、可靠性技術(shù)、智能控制技術(shù)等，國內(nèi)缺乏這些方面的技術(shù)研究，也就缺少向發(fā)達(dá)國家水平發(fā)展的技術(shù)支撐[6-7]。

由于高空作業(yè)平臺在實(shí)際工況下要受到鑿巖設(shè)備的沖擊載荷，目前國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的載荷都不能滿足本系統(tǒng)中高空作業(yè)平臺的載重要求。因此設(shè)計(jì)過程中需要對高空作業(yè)平臺工作籃的疲勞應(yīng)力以及模態(tài)進(jìn)行分析。有限元分析是目前進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)分析時(shí)的常用和有效工具[8-16]，本文將對所設(shè)計(jì)的針對隧道病害整治應(yīng)用的高空作業(yè)平臺工作籃進(jìn)行有限元分析。

圖1 隧道現(xiàn)場檢修圖

1 高空作業(yè)平臺工作籃有限元分析

整個(gè)作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示（取基本臂起伏角度0°為例）。

1.1 結(jié)構(gòu)離散模型

在對整個(gè)復(fù)雜的作業(yè)平臺進(jìn)行離散之前，需對高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，為了減少計(jì)算量并且在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下，盡量簡化高空作業(yè)平臺的幾何模型，從而可以使離散后的模型單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少。這樣做可以最大程度地減少工作量，并提高設(shè)計(jì)效率。

簡化模型時(shí)主要是簡化平臺上對整體機(jī)構(gòu)強(qiáng)度剛度特性影響較小的螺紋孔、倒角等。雖然簡化之后整體結(jié)構(gòu)沒有變化，但是很大程度地降低了網(wǎng)格劃分時(shí)的工作量，也就是大大減少了有限元分析前處理的計(jì)算量，同時(shí)也大大降低了計(jì)算的復(fù)雜程度。

采用體單元（SOLID92）和殼單元（shell63）進(jìn)行離散。整個(gè)作業(yè)平臺共離散為379 501個(gè)單元，202 578個(gè)節(jié)點(diǎn)，整體離散模型和局部離散模型見圖3。

圖2 作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 構(gòu)架有限元離散模型

1.2 約束條件

根據(jù)高空作業(yè)平臺實(shí)際安裝情況，通過螺栓與車架連接。因此在基座螺栓孔上均施加垂向約束、縱向和橫向3個(gè)方向的約束。

2 材料參數(shù)

根據(jù)所選擇的材料，對高空作業(yè)平臺三維模型進(jìn)行材料設(shè)置，高空作業(yè)平臺所選材料情況如圖4所示。

圖4 高空作業(yè)平臺材料說明

為后續(xù)分析方便，此處列出了所設(shè)計(jì)的作業(yè)平臺選用材料的許用應(yīng)力，如表1所示。

3 計(jì)算載荷與工況組合表

工作籃在工作狀態(tài)下主要受鑿巖設(shè)備帶來的沖擊載荷和助力機(jī)械手以及施工人員自身重力載荷作用。根據(jù)計(jì)算得到工作籃不同方向上施加的載荷情況如下：工作籃縱向載荷為F=mg=80×9.8=784 kg，工作籃橫向載荷為F=mg=80×9.8=784 kg，工作籃垂向載荷為F=mg=500×9.8=4900 kg。

將各單獨(dú)載荷進(jìn)行組合，得到工況組合表，如表2所示。

表1 作業(yè)平臺用材的基本力學(xué)性能

表2 工況及工況組合表 N

4 工作籃應(yīng)力分析

根據(jù)基本臂的不同工作位置（與水平面角度分別為-22°、0°、45°、72°），在對應(yīng)的作業(yè)平臺模型上施加上述載荷，4種工作位置的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位列于表3中。

表3 不同角度載荷作用下最大應(yīng)力位置及其Von Mises應(yīng)力值

由于版面限制，本論文中只選取角度為-22°時(shí)（垂向載荷作用下）、角度為0°時(shí)（組合工況一）、角度為45°時(shí)（組合工況二）、角度為72°時(shí)（組合工況二）這4個(gè)典型工況作用下工作籃整體Von Mises應(yīng)力分布云圖和局部最大應(yīng)力部位的Von Mises應(yīng)力分布云圖，如圖5～圖8所示。

由表3及圖5～圖8可見：基本臂起伏角度為-22°、0°、45°、72°時(shí)，單獨(dú)工況及組合工況下，可以看出支撐架立板邊緣處的最大應(yīng)力值是101.1 MPa，小于HG70母材疲勞許用應(yīng)力；鋼管附近工作欄立板邊緣處的最大應(yīng)力值是46.9 MPa，小于Q235母材疲勞許用應(yīng)力；支撐架兩立板焊縫彎角處的最大應(yīng)力值是112.3 MPa，小于HG70焊接接頭疲勞許用應(yīng)力122 MPa。

圖5 角度為-22°時(shí)，垂向載荷作用下作業(yè)平臺應(yīng)力分布

圖6 角度為0°時(shí)，組合工況一作業(yè)平臺應(yīng)力分布

圖7 角度為45°時(shí)，組合工況二作業(yè)平臺應(yīng)力分布

圖8 角度為72°時(shí)，組合工況二作業(yè)平臺應(yīng)力分布

5 結(jié)語

本文從實(shí)際出發(fā)，通過ANSYS有限元分析方法對隧道高空作業(yè)平臺工作籃基本臂4個(gè)不同起伏角度下，單獨(dú)工況及組合工況的應(yīng)力分析，得出其支撐架立板邊緣處、鋼管附近工作欄立板邊緣處、支撐架兩立板焊縫彎角處等關(guān)鍵位置的最大應(yīng)力值均小于所選用材料的強(qiáng)度。因此，所設(shè)計(jì)的隧道高空作業(yè)平臺工作籃疲勞強(qiáng)度滿足要求，可靠性好。

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